Эффективность ввода оптического излучения в волокно

Достижение высоких значений внутренней и внешней квантовой эффективности источника оптического излучения ещё недостаточно для реализации систем, содержащих ВОЛС, т.к. возникает проблема эффективной передачи этого излучения в волокно. Необходимо, чтобы в него попало по возможности максимальное колличество света, а потери были бы минимальны. С этой целью прибегают к согласующим линзовым устройствам (рис.7.), которые фокусируют оптическое излучение в сердцевину волокна, тем самым увеличивая эффективность ввода оптического излучения в него. Однако, как показано в [3], такие устройства вносят заметные потери в систему “источник-линза-волокно”, называемые конструктивными. Поэтому даже введеним согласующей линзы не всегда удаётся повысить эффективность ввода и, более того, его можно даже ухудшить (!). Следовательно, линзовое устройство должно быть таким, чтобы согласование было максимальным, а конструктивные потери, которые линза вносит, были как можно меньше. Таким требованиям удовлетворяет стержневая линза [3] (рис.9.), которая шире распространена при создании согласующих устройств, нежели линзы, показанные на рис.7.

В отличие от обычной линзы, поверхности которой с обеих сторон криволинейны, стержневая линза имеет цилиндрическую форму с плоскими торцевыми поверхностями, а свойства линзы как таковой сформированы в ней за счет созданного распределения коэффициента преломления (симметрично оптической) оси вдоль радиуса по квадратичному закону:

n(r)=n₀(1-g²r²)@ n₀(1-1/2 g²r²), (11)

Рис.9.

где g-параметр фокусировки, мм^-1, характеризующий крутизну профиля коэффициента преломления.

Из уравнения траектории лучей в данной линзе d²r/dz²=-g² r² следует, что траектория светового луча внутри стержневой линзы имеет синусоидальную форму. Шаг Р этой траектории равен 2p/g и является основным параметром линзы. Стержневые линзы чаще всего бывают длиной L= Р/4 и L=P/2 (3..6 мм).

Стержневые линзы (рис.9) нашли широкое применение в коллиматорных системах, а также в системах формирования изображения, которые, фокусируя лучи полупроводникового лазера, согласуют его с оптическим волокном. В последнем случае, подбирая длину стержневой линзы и расстояния L₁ и L₂ , можно повысить эффективность световой связи. Если при этом удаётся согласовать диаграмму направленности источника с апертурными углами волокна и сфокусировать изображение источника в сердцевину волокна, то эффективность связи источника с волокном рассчитывается по формуле

h_связи=(S_ист/ S_серд )* K_пот, (12)

где S_ист- площадь излучающей поверхности светодиода, S_серд- площадь сердцевины волокна, K_пот- конструктивный коэффициент потерь (K_пот<1).

Оптимизационный поиск максимума h_связи составляет нетривиальную часть задания студенту. Следует помнить, что формула (12) справедлива только в том случае, если строго выполняется выделенное выше жирным шрифтом условие.